Литература

1. Волков Э.П., Баринов В.А., Маневич А.С. Проблемы и перспективы развития электроэнергетики России. М: Энергоатомиздат, 2001.

2. Глускин И.З. Сверхпроводниковые токоограничивающие устройства и индивиду­ альные накопители энергии для 'электроэнергетических систем / И.З. Глускин, Г.А. Дмитриев, М.Ш. Мисриханов и др. М.: Энергоатомиздат, 2002.

3. Chamia M. Electrical power systems 2020. A prospective view // Electra. 2002. P. 6—17.

4. Сверхпроводимость и перспективные виды электротехнического оборудования для передачи и распределения энергии / Н.А. Черноплеков, Ю.Г. Шакарян, Л.И. Чур- баева и др. // VI Симпозиум «Электротехника 2010» Т. 1. С. 34—44.

5. Дорофеев В.В. Проблемы создания и применения в электрических схемах уст­ ройств, использующих явление сверхпроводимости / В.В. Дорофеев, Н.А. Чернопле­ ков, Ю.Г. Шакарян и др. // Электричество. 2005. № 7. С. 22—36.

6. Высоцкий B.C., Сытников В.Е., Илюшин Т.В. Сверхпроводимость в элект­ ромеханике и электроэнергетике // Электричество. 2005. № 7. С. 31—40.

7. Алексеев М.П. Сверхпроводящий ограничитель тока короткого замыкания / М.П. Алексеев, В.Е. Кейлин, С.А. Микляев и др. // Электричество. 2003. № 9. С. 26—27.

8. Глебов И.А., Данилевич Я.Б., Шахторин В.Н. Турбогенераторы с использованием сверхпроводимости. Л.: Наука, 1981.

Глава семнадцатая

Гидроэнергетика и другие возобновляемые источники энергии

 

Содержание лекции:
17.1.	Гидроэнергетические ресурсы
17.2.	Типы гидроэнергетических установок
17.3.	Основные схемы использования водной энергии
17.4.	Регулирование стока реки водохранилищем
17.5.	Гидроэлектростанции и их энергетическое оборудование
17.6.	Мощность ГЭС и выработка энергии
17.7.	Гидротехнические сооружения ГЭС
17.8.	Гидроаккумулирующие электростанции
17.9.	Солнечная энергетика
17.10.	Ветроэнергетика
17.11.	Геотермальная энергетика
	Контрольные вопросы
	Литература для самостоятельного изучения

 

17.1. Гидроэнергетические ресурсы

Гидравлическая энергия является возобновляемым источником энергии.

Территория, с которой стекает вода в реку, называется водосборным бассейном данной реки. Линия — а, б, в, г, д, проходящая по повышенным местам и отделяющая друг от друга соседние бассейны, называется водораздельной линией или водоразделителем (рис. 17.1).

К водосборному бассейну моря относятся водосборные бассейны всех рек, впадающих в данное море.

Количество воды, протекающей через поперечное сечение водотока в 1 с, называется расходом воды Q (м³/с или л/с).

Хронологический график изменения расходов воды во времени называется гидрографом. Строить гидрограф позволяют результаты регулярных измерений расходов воды в реке. Форма гидрографа зависит от типа питания реки (снеговое, дождевое, ледниковое и т.п.). На рис. 17.2 показан типичный гидрограф реки с преимущественно снеговым питанием. Гидрограф характеризуется максимальным, минимальным и средним значениями расхода воды за рассматриваемый период.

Суммарный объем воды, прошедший через поперечное сечение водотока от какого-либо начального момента времени t₀ до некоторого конечного t_к, называется стоком W. При известном гидрографе сток определяется по следующим формулам (м³ или км³):

для непрерывной функции Q(t)

 

(17.1)

для дискретной функции Q(t)

 

(17.2)

где Q_i — средний расход в i-м интервале времени (i  [1, n]).

Среднегодовой сток всех рек мира составляет 32 тыс. км³; в табл. 17.1 приведены данные о речном стоке отдельных стран мира.

Запасы поверхностного стока по территории России распределены неравномерно, что весьма неблагоприятно для народного хозяйства, в том числе и для энергетики. Более 80 % речного стока российских рек приходится на еще мало освоенные территории бассейнов Северного Ледовитого и Тихого океанов.

 

Данные о речном стоке отдельных стран мира
Таблица 17.1 Страна	Площадь территории, млн км2	Суммарный средний многолетний объем стока, км3/год	Удельная водность в среднем за год с 1 км2, л/с
Россия	17,075	4000	7,4
Бразилия	8,51	5300	11,9
США	9,36	2850	9,8
Китай	9,90	2600	8,3
Канада	9,98	1500	24,0
Норвегия	0,32	368	35,8
Франция	0,551	343	19,7
Югославия	0,256	123	15,2
Польша	0,312	58	5,9

 

Особенностью стока реки является его неравномерное распределение как по годам, так и в течение года.

Многолетняя неравномерность стока неблагоприятна для всех отраслей народного хозяйства и прежде всего для энергетики. Различают: многоводные, средневодные и маловодные годы. В маловодные годы обычно значительно снижается выработка энергии на гидроэлектростанциях.

Неравномерность стока в течение года неблагоприятна для энергетики. Для большинства рек России маловодный период наблюдается зимой, когда потребность в электроэнергии наибольшая.

Механическая энергия речного стока (или гидравлическая энергия) может быть преобразована в электрическую посредством гидротурбин и генераторов.

В естественных условиях энергия водотока расходуется на преодоление внутреннего сопротивления движения воды, сопротивления на трение на стенках русла, размыв дна, берегов и т.п. Численные значения можем определить следующим образом. Водоток разбиваем на ряд участков, начиная от истока до устья. Определяем полную энергию потока жидкости в начальном Э₁ и конечном Э₂ створах участка. Теряемая на участке энергия будет равна разности Э₂ и Э₁

 

(17.3)

где  — плотность жидкости; g — ускорение свободного падения; W — объем стока жидкости на участке; H_1—2 — удельная потенциальная энергия потока жидкости, называемая напором и численно равная падению уровня свободной поверхности водотока на данном участке.

Значения плотности жидкости  в зависимости от температуры изменяются незначительно. Ускорение свободного падения g на Крайнем Севере составляет 9,825 м/с², в средней полосе России — 9,81 м/с² и на юге страны 9,782 м/с².

Разделив Э_1—2 на время t, получим среднюю мощность водотока на данном участке

 

(17.4)

 

Для расчета принимается  = 1000 г/м³, g = 9,81 м/с². Подставив расчетные значения , g, Q_1—2 (м³/с) и Н_1—2 (м), получим мощность водотока, кВт:

 

(17.5)

 

Формулы (17.3) и (17.5) выражают потенциальную (теоретическую) выработку энергии и мощность на рассматриваемом участке водотока.

Суммируя потенциальные энергетические ресурсы по участкам водотока, получаем потенциальные энергетические ресурсы реки.

Аналогично получаем теоретические запасы гидроэнергии для региона, страны, континента, мира.

Гидроэнергетические ресурсы подразделяют на потенциальные (теоретические), технические и экономические.

Потенциальные гидроэнергетические ресурсы — это теоретические запасы, определяемые по формуле

 

(17.6)

где Э — энергия, кВт · ч; Q_i — средний годовой расход реки на i-м рассматриваемом участке, м³/с; H_i — падение уровня реки на участке, м.

Они подсчитываются в предположении, что весь сток будет использован для выработки электроэнергии без потерь при преобразовании гидравлической энергии в электрическую, т.е. коэффициент полезного действия  = 1.

Мировые потенциальные гидроэнергетические ресурсы оцениваются в 35х10³ млрд кВт · ч в год и 4000 ГВт среднегодовой мощности. Потенциальные ресурсы России составляют 2896 млрд кВт · ч при среднегодовой мощности 330 ГВт.

Технические гидроэнергетические ресурсы всегда меньше потенциальных, так как они учитывают потери: